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排列三走势图连线2019:碳納米管的應用

排列三走势图2000期360 www.erudbn.com.cn 碳納米管的應用

納米材料以其特殊的尺寸效應產生的獨特物 物理化學性質而成為當前研究的熱點,相信納米技術在新世紀將給人類生活帶來深遠影響。

1.高強度復合材料

碳納米管具有非常大的長度-直徑比率,是復合材料中理想的增強型纖維。碳納米管的尺寸很小,可以很方便地流過現有的樹脂制造設備,從而制造出任何復雜形狀的零件。傳統的連續纖維增強型纖維材料剛性和強度比較好,并且密度也較低,但是制造成本過于昂貴,而且只能夠制造簡單形狀的零件,也無法制造出高強度材料,從而在應用上受到了極大的限制。而碳納米管的長度-直徑比率很容易達到1000以上,從理論上講完全可以制造出更高強度、更高密度、低成本的復合材料。碳納米管是一種中空的管狀物質,可以將其作為特種模具以得到納米尺寸的線條和納米棒。

2.信息存儲

碳納米管在制備過程中大多數都使用了過渡金屬粒子作為催化劑,在生長的過程中,許多碳納米管的頂部和底部都封有直徑為幾個納米到幾十個納米數量級的催化劑顆粒。根據磁學理論可以知道,這些粒子是單磁疇粒子,可以穩定地記錄信息。單根碳納米管在垂直方向上可以存在多個鐵磁粒子。因此碳納米管將具有實現新型的大規模信息存儲的可能性。

使用含有鐵磁納米粒子的碳納米管材料作為三維磁存儲器件具有如下的優勢:

信息存儲密度高:相對于傳統的磁介質存儲和光盤存儲裝置來說,利用碳納米管材料的三維磁存儲密度更高。納米鐵磁粒子的信息存儲點徑可望達到5-50nm; 信息存取速度快:信息存取時間可望達到2-5ns的數量級,相當于現有計算機上的靜態存儲器(SRAM)的水平,比任何現有的非易失性存儲器都快得多;

材料來源廣泛:制備碳納米管所需要的原材料來源相當廣泛,制備工藝相對比較簡單,流程比較少,成本低廉,非常適合于大規模工業生產。

3.微機械

美國NASA Ames研究中心的研究者們利用碳納米管成功地制造出了納米級的齒輪。研究者們還利用單壁碳納米管制作出了微機械執行器。實驗表明,該執行器能夠產生更多的應力,比高模鐵電材料能夠產生更多的應變。與天然的肌肉相類似,宏觀的執行器是億萬個獨立的納米級執行器的聚合體。執行機理(電化學雙層充電)效應是基于量子化學的擴展,不再需要離子間的相互作用。與傳統的鐵電執行器相比,基于碳納米管的執行器在幾伏特的工作電壓下就可以獲得大的執行器應力。理論預測和實驗驗證表明,使用優化的單壁碳納米管制作的執行器可以達到比以往任何技術都高的器件密度和工作密度。

由于該執行器的工作電壓比較低,因此在微懸臂梁方面將會得到更加廣泛的應用。通過使用高溫電解質,可以使碳納米管執行器的工作溫度遠遠高于鐵電執行器,這對于噴氣式發動機的氣流控制來說是非常重要的。另外,碳納米管執行器可以在海水和含鹽溶液中工作,這樣可以在潛水艇和生物醫學領域得到應用。碳納米管執行器還可以反向工作,將機械能轉換成電能,可以制作出機械傳感器和能量轉換器件。鐵電材料在比較高的電壓下才能產生比較低的電流,而碳納米管在比較低的電壓下就能夠產生大電流,這個效應對于遠程安裝的傳感器中減少導線間的電容效應是十分有利的。

碳納米管具有很大的直徑1高度比,被認為是理想的掃描探針顯微鏡的針尖,可用于掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等設備中。實驗證明,直徑 10nm左右的多壁碳納米管所制造的探針,其分辨 率與商業探針分辨率大體相當,相信單壁碳納米管的分辨率會更高。

4.電子器件

半導體技術起源于半個多世紀之前,從那時 起,器件的體積就在不斷地縮小,計算機的速度也越來越快。這些年來,典型器件的體積每.年就要縮小一倍,但是這樣的趨勢還能夠維持多久?當器件的典型尺寸達到10nm數量級的時候,量子效應就會明顯地呈現出來,器件、材料的特性與現在將會截然不同,其發展道路就會遇到嚴重的阻礙。正是由于這個原因,碳納米管不但引起了科學界的很大興趣,而且也引起了半導體行業的高度重視。根據碳納米管的拓撲結構不同,所制成的器件可以是半導體性質的,也可以是金屬性質的,許多大型跨國企業集團已經研究出了一些基于碳納米管材料的器件。

具有良好晶界的異質結構對于電子器件來說是非常重要的。由于單壁碳納米管尺寸小,具有獨特的電子性質,因此利用碳納米管制造異質結構引起了人們特別的興趣。碳化物在電子工業中扮演著十分重要的角色,例如,碳化硅是一種十分有用的寬帶隙半導體材料,在高溫、高頻率、高功率場合都得到了廣泛的應用;過渡族金屬碳化物,如碳化鈦和碳化鈮,都是很好的高熔點、低擴散系數的金屬導體,非常適合在超大規模集成電路中應用。將這些材料與單壁碳納米管結合在一起將會產生新的應用器件。研究者們已經利用基于控制固1固反應的方法,在單壁碳納米管和納米棒或者碳化硅、過渡族金屬碳化物納米粒子之間制造了異質結構。通過高分辨率透射電子顯微鏡和電子衍射顯微鏡的觀察表明,該異質結構的晶界良好。單壁碳納米管和碳化物之間的界面大小是納米數量級的,由碳納米管的截面決定,代表了碳納米管可以達到的最小的異質結,在未來的混合納米器件中會扮演特別重要的角色。

對于碳納米管而言,在半導體性質和金屬性質的碳納米管之間可以形成整流的肖特基結,實驗觀察到的二極管性質可以解釋為不同拓撲結構或電子特性的碳納米管之間所形成的結。

晶體管是集成電路中的基本元件。要在未來的集成電路中利用碳納米管,那么如何將碳納米管制作成晶體管就顯得非常重要。利用單壁碳納米管或者多壁碳納米管來形成場效應晶體管的溝道,人們已經成功制作出了納米場效應晶體管。利用硅作為襯底材料,首先在硅襯底上生長一層二氧化硅,用來進行絕緣,避免電極之間導通。在二氧化硅上面制作出一定形狀的金金屬線,分別作為場效應晶體管的源極、漏極和控制柵極,將單根的碳納米管橫跨在源極和漏極之間。利用柵極對碳納米管是否形成導電溝道進行控制,從而實現了納米場效應晶體管。

5.場致發射平板顯示器

由于碳納米管能夠在相對較低的電壓下長時間地發射電子,故已經將碳納米管應用于高分辨率電子束器件。碳納米管能夠提供高度相干的電子光束,它能夠收集到所觀察的物體的序列電子全息照片,其圖像質量要比原子尺度的發射尖端所得到的照片還要清晰。迄今為止,碳納米管已經應用到諸如掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等相關的高科技設備當中。與/01234陰極相對比,碳納米管發射冷陰極具有更高的相干性,能夠提供更狹窄的電子光束,這必將在諸如各種顯示器設備的制造等方面引起重大變革。

新一代平板顯示器是采用真空微電子技術,利用碳納米管場致發射原理制作的矩陣尋址、高分辨率、高效率、長壽命的場致發射平板顯示器。對于利用碳納米管陰極材料的場發射平板顯示器來說,與傳統的基于金屬和半導體尖錐陣列的場發射顯示器相比,具有工作電壓更低、制作成本更少、功耗更小、厚度更薄、亮度更強、清晰度更高等優點,完全可以替代目前我國和多數國家采用的示波管顯示屏。它還可以進一步用于軍用飛機的數字儀表面板、宇宙飛船、空間工作站上的各種數字、圖像顯示面板系統,直升機駕駛員用頭盔式瞄準具和坦克、自動火炮等的瞄準與顯示系統。利用碳納米管作為冷陰極材料將可能使平板顯示技術發生根本性的變革,對于提高商業化平板顯示器的研制水平具有十分重要的使用價值和理論意義。

6.碳納米管儲氫

氫氣在未來的能源方面將扮演一個很重要的角色,它在釋放能量的過程中不會引起空氣的污染和導致溫室效應,但目前仍然沒有一個實用的辦法存儲和運輸氫氣,而這對氫氣能源的實用化是十分重要的。最近的研究表明,碳納米管非常適合于作為儲氫材料。由于碳納米管具有獨特的納米級尺寸和中空結構,具有更大的表面積,相對于常用的吸附劑活性炭而言,具有更大的氫氣吸附能力。目前,碳納米管在儲氫方面具有更加明顯的優勢,再加之碳材料的價格低廉,化學性能穩定,密度比較小,碳納米管儲氫的應用前景十分樂觀。

目前,碳納米管儲氫應用的主要問題是進一步提高儲氫率,探索碳納米管吸放氫氣條件,研究碳納米管材料的儲氫機理以及如何在工業上大量制備碳納米管。通過制備工藝的改進、碳納米管的提純等方式,使得碳納米管的儲氫率進一步提高。研究碳納米管吸放氫氣的物理過程,確定其吸放氫氣的物理條件,才能設計出相應的儲氣、釋放系統,使得碳納米管在儲藏氫氣方面走向實用化。碳納米管作為一種新型的納米材料,對原有的氣體吸附理論也提出了新的挑戰,需要使用新的理論來描述碳納米管儲氫過程,這些問題的解決,都需要進一步開展碳納米管儲氫方面的理論研究和實驗研究。

7.碳納米管微操作

如果要將碳納米管應用到實際器件當中的話,那么首先需要解決的問題就是我們必須能夠對碳納米管以一定的方式控制和操作。其中IBM公司已經成功地應用原子力顯微鏡(AFM)對碳納米管進行了控制,其中包括改變碳納米管的位置、形狀、方向以及可以對碳納米管進行切割等。

本說明來源于《碳納米管及其應用》

作者:朱長純,袁壽財,李玉魁(西安交通大學電子與信息工程學院,陜西西安)